基于CFD技术的中庭建筑空调送冷风的气流组织优化

彭冬根，程南洋，杨泽煊，徐少华

(南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031)

中庭是当代建筑内部的一种常见建筑形式，其在改变室内空间结构、内部环境、气流组织、区域连通等上均有着重要的作用。由于其建筑构造相对复杂，室内空气流动分布不均，会导致垂直温差较大，且与中庭相连的各层室内空间温度、相对湿度等分布不均匀。目前对于气流组织的研究多采用CFD软件对建筑的温湿度场进行模拟分析，如苏华东等[1]利用CFD模拟软件，得出室内设计中可采用的节能设计的手段和方法；孙科等[2]通过CFD模拟技术对高级办公室、开放办公区和报告厅的气流组织进行研究分析；谢志平[3]基于CFD模型对地铁车辆空调系统气流组织进行分析，并对通风循环设计、风道风口设计、K值计算提出建议；李学畅等[4]利用Fluent软件对高校宿舍通风方式进行模拟，并采取实测与模拟相结合的研究方法证明了数值模拟的合理性和可靠性。当前对于中庭空调气流组织的研究多集中于空调末端的送风口形式上，如张欢等[5]模拟了分别使用球形喷口侧送风、条形风口侧送风、条形风口侧送风+地板辐射供暖时，室内人员舒适效果的变化情况；孙国勋等[6]利用CFD模拟软件，模拟了全空气空调系统及THIC系统的室内空气品质变化情况；谢丹[7]通过模拟得到中庭建筑空调送风角度、送风速度及送风温度对PMV、PPD的影响。针对中庭建筑的气流组织优化，杨梦瑶[8]利用CFD技术对高大空间建筑的分层空调在不同工况下的气流组织进行数值模拟研究，对这些工况下的工作区人体舒适度分别进行了计算分析；孙阳红[9]分别对采用热风采暖高大中庭顶部周边开口、上部侧墙开口、顶部中间开口及热风采暖与地面辐射供暖相结合的供暖方式这4种工况进行理论分析和数值模拟，以改善中庭冬季供暖工况下可能遇到的一系列热舒适性问题。

本文针对中庭建筑夏季运行设计条件，进行CFD模拟计算，为更好满足人员舒适度要求，对传统中庭建筑设计送风风量比例、回风量进行调整，以使得建筑各层工况更符合设计要求。

1 模拟中庭建筑物理模型

文中模拟的建筑为陕西西安地区某大学图书馆的中庭，该中庭位于图书馆的第2～第5层的内区，第1层大厅与第2层垂直不连通，故不在建模及模拟范围。中庭部分包括上下连通的中庭楼梯区域、环形走廊及相连的电梯厅、部分图书藏阅区等，不同楼层的功能分区略有不同。

该中庭区域依据夏季工况计算空调负荷，采用一次回风的全空气系统，过渡季节全新风运行。送风形式有上送和侧送2种，环形走廊及相连的电梯厅、图书藏阅区等采用上送上回式，中庭楼梯区域的第2、第3层之间为侧送形式，风口为直径300 mm的旋流风口。靠近楼梯间和洗手间的门口分别有单层百叶回集中风口。中庭部分的单层面积为1 728 m2，楼层净高4.5 m，吊顶下沿高度3.3 m。上送风口置于各层吊顶下沿处，送风口采用300 mm×300 mm的方形散流器，第2层和第3层分别布置32个，第4～第5层分别布置30个。侧送风口置于第2～第3层之间，风口为φ300的旋流风口，布置6个。第2层风口分布示意图及实际建筑物理模型构建效果图如图1所示。

2 CFD数学模型

CFD流体计算过程包含的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程及组分守恒模型，相关模型公式见文献[10]；模型区域内部的流体设置为k-ε紊流模型，k方程和ε方程相关公式见文献[11]。

动量守恒方程中的静压及重力项和流体的密度有关，而任何实际气体的密度都会随着温度、流速等参数的变化而改变，本身为可压缩流体。但考虑到室内外环境温度变化不大，室内空气整体流速不大，空气密度变化量极其有限，故采用BOUSSINESQ模型，将密度的变化视为温度的单值函数，为此将静压和密度项综合表达为：

(ρ-ρ0)g=-ρ0β(t-t0)g

(1)

式中:ρ0为流体参考密度，kg·m-3；t为流体温度，℃;t0为流体参考温度，℃;β为体积膨胀系数，1/K。

3 设计计算结果

3.1 设计负荷计算

室内负荷的计算需考虑维护结构边界条件，本文只选用该建筑的中庭部分，故其他部分暂不做考虑。中庭与其他部分连接处均看作墙体处理，墙体导热系数为0.75 W·m-1·K-1，厚度为240 mm，外部对流空气温度为35 ℃，对流换热系数为10 W·m-2·K-1。其他灯光、人员等均按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[12]规定进行设置。该区域设备不多，由设备产生的热湿负荷可以忽略，故在模拟设置中对该项不作设置。使用鸿业负荷计算软件进行负荷计算，该软件使用的是谐波法，各层负荷计算结果如表1。

表1 第2～第5层总负荷Tab.1 Total cooling load of air conditioner on the second to fifth floors

3.2 气流组织设计计算

建筑所在地区为陕西西安，其夏季空调工况下室外干球温度35 ℃，湿球温度25.8 ℃，露点温度22.8 ℃，焓值82.4 kJ·kg-1，含湿量18.4 g·kg-1，相对湿度49.3%，密度1.09 kg·m-3(焓值、含湿量均以干空气计)。空调系统采用一次回风，室内干球温度为26 ℃，湿球温度20.2 ℃，露点温度17.6 ℃，焓值60.0 kJ·kg-1，含湿量13.3 g·kg-1，相对湿度60%，密度1.13 kg·m-3。传统空调送风量是根据各空调区的热湿负荷及空调系统处理方式，由空气处理焓湿图计算得到。本文依据该方法分别计算中庭各层送风量及气流组织设计，见表2。

表2 第2～第5层送风设计Tab.2 Design of supply air from the second to fifth floors

中庭气流组织送风方式为上送上回式，设计总风量为124 300 m3·h-1。送风口有2种：一为方形散流器300 mm×300 mm，风口分布在每层走廊顶上；另一种为φ300 mm的旋流风口，位于第2层与第3层中间，2种送风口在软件中都设置为速度入口边界。回风口通用为1 500 mm×1 500 mm的百叶回风口，设置在每层的两侧，软件中设置为压力出口边界。

4 传统气流组织设计存在的问题

为揭示以各层热湿负荷计算的风量来确定送风气流组织中存在的问题，论文首先采用CFD软件模拟传统中庭建筑空调送冷风的气流组织。分析其温度场、速度场、相对湿度场的分布情况，着重考虑到距离地面1.5 m处人员活动率最高点的温湿度分布。通过模拟发现传统中庭建筑空调气流组织存在两方面问题。

4.1 中庭气流浮升问题

从各层及中庭模拟速度场分布图可看出在中庭大空间内存在较明显的气流浮升问题，如图2所示。由速度场图可以看出，中庭围廊部分的空气流动速度基本都在0～0.4 m·s-1之间，只在接近送、回风口的小范围内风速增加，其作用范围较小，平均风速约为0.17～0.20 m·s-1之间。中庭高大空间部分风速相对较高，集中在0.2～0.8 m·s-1，中部由于下部空气向上浮升使得空气流速增加。为方便观察总体空气流动趋势，导出Y中轴线纵切面速度场图，显示范围设为0～1.2 m·s-1。由图可以看出，由于第2层与第3层间有6个旋流风口向中庭吹风，热空气上浮，中庭内自旋流风口向上，气流流速约为0.6 m·s-1，在第4～第5层之间达到最大约0.8 m·s-1。另外，由于顶部封闭，最顶层的空气流动速度较为缓慢，平均风速约为0.1 m·s-1左右。表3为图2中各平面平均风速值。由此可看出中庭建筑空调按各层负荷设计风量送风会形成较大气流浮升问题，从而影响各层温度分布。

表3 第2～第5层1.5 m处及Y中轴线纵切面平均风速Tab.3 Average wind speed at 1.5 m from the second to the fifth floors and longitudinal section of Y central axis

4.2 顶层与下层温差过大

从各层及中庭温度分布可看出顶层和下层存在较大温差，如图3及表4所示。如图观察地面上1.5 m面的温度分布可知，整个第2～第4层包括中庭在内，温度较为均匀地分布在(26.3～27.3) ℃之间。

整体上看，室内温度分布较为对称，左边和右边由于远离回风口，所以附近温度较低。但是第5层的温度明显偏高，平均温度27.3 ℃，且分布并不是很均匀，相较与下层温度高出(0.5～1.0) ℃，原因和下层气流浮升导致大量高温回风上涌有关。另外从相对湿度分布图可知，越往顶层相对湿度越低，但整体变化不大，且平均相对湿度基本满足设计要求见表4。

表4 各层1.5 m处平均温度及相对湿度Tab.4 Average temperature and relative humidity at 1.5 m each layer

5 改进的设计方案及其效果

根据上述分析可知中庭建筑空调气流组织所存在突出问题是顶层温度明显偏离空调设计工况，平均温度超过设计温度1.3 ℃，考虑到它是由中庭浮升气流造成，故本文提出以下改进措施。

1) 措施一：针对整个中庭采用集中送冷风，加大下层回风口面积。为减轻下层气流浮升，需加大第2层及第3层回风量，具体措施为将第2层和第3层回风口面积增大50%。经模拟分析，这种设置能有效减轻下层气流上浮，改善第5层温度分布。

2) 措施二：针对中庭采用分层送冷风，重新调整各层输送冷风量比例。将第2层和第3层部分风量调整至第4层和第5层，具体措施为将第2层和第3层风量的10%、20%、30%、40%加到第4层和第5层。下面就2种改进方案的实施效果进行分析。

5.1 加大下层回风口面积的改进效果

依据改进措施一，将第2层和第3层回风口面积增大50%，以增大下层回风量，取各层地面1.5 m处为观察面，观察各层速度场和温度场的改进效果。

5.1.1 中庭气流浮升情况对比

图4为加大下层回风口面积前后中庭及周边楼层的速度分布变化，经过计算，得出改变前后各层1.5 m处平均风速见表5。

表5 第2～第5层1.5 m处平均风速对比Tab.5 Comparison of average wind speed at 1.5 m from the second to the fifth floors

可见改进后各层空气平均流速都有所降低，但并不明显。鉴于此改进措施主要是为了解决由于下层气流浮升问题，因此它对中庭气流浮升情况改进会更为明显，从图4可以看出，中庭部分浮升气流不论在作用区域还是在流动速度上都明显衰减。改进后中庭平均空气流速明显降低，气流流速约为0.5 m·s-1，最大流速在第4层，约为0.66 m·s-1；相较于改进前平均风速下降约0.1 m·s-1，最大风速下降0.14 m·s-1。说明加大下层回风口面积50%确能有效降低中庭浮升气流。

5.1.2 顶层温度场对比

图5为加大下层回风口面积对第5层温度场影响，由图可见第5层的平均温度值降低，更加趋近于设计温度，温度分布更加合理，右上侧及右下侧的高温区明显减少。其他各层1.5 m高度平均温度改进前后变化经过计算见表6。表中显示第2、第3层温度略微上升，第4、第5层温度下降，各层温度更趋近设计温度，说明提高下层回风口面积对各层温度分布改进效果较好。

表6 第2～第5层1.5 m处平均温度对比Tab.6 Comparison of average temperature at 1.5 m from the second to the fifth floors

5.2 重新调整各层风量比例的改进效果

依据改进措施二，将第2层和第3层风量的10%、20%、30%、40%加到第4层和第5层，同时为满足送风风速要求，对送风口大小进行相应调整，同样取楼层地面1.5 m处为观察面，观察各层速度场和温度场的改进效果。

5.2.1 顶层温度场对比

鉴于改进措施的主要目的是为了解决第5层的气流组织分布问题，故先对4种调整风量比例对第5层温度分布影响进行分析，如图6所示。可知，风量调整后第5层温度都明显降低，但调整30%及40%风量会导致第5层走廊区域温度明显偏低，调整30%风量会导致走廊区域温度比设计温度低约1 ℃；调整40%风量会导致走廊区域温度比设计温度低约2 ℃，不符合设计要求，故后论文只建议调整风量比取10%及20%。图中0%为调整前的温度分布，对比10%和20%调整和调整前各层平均温度见表7。显示调整后除第2层温度上升0.3 ℃，第3、第4、第5层温度都有所降低，整体平均温度也下降了0.5 ℃。另外，在20%风量调整时第5层走廊区域温度明显降低，平均温度在25.9 ℃左右，满足设计要求，改进后已基本消除下部气流浮升造成的影响。

表7 第2～第5层3次1.5 m处平均温对比表Tab.7 Comparison of average temperature at 1.5 m from the second to the fifth floors

5.2.2 中庭气流浮升情况对比

图7为改进前后的速度场对比，改进后各层空气平均流速都有所降低，特别是中庭部分已基本无气流浮升，主要为第5层与中庭之间有气流流动，流速也较低，最大为0.6 m·s-1左右。另外经过计算，得出改进前后各层 1.5 m处平均风速见表8，显示各层平均风速均有所降低。

表8 第2～第5层1.5 m处平均风速对比Tab.8 Comparison of average wind speed at 1.5 m from the second to the fifth floor

6 结论

1) 增大下层回风面积虽然也能抑制下层气流浮升，但会导致下层温度明显上升。

2) 调整各层风量比例对于减轻下层气流浮升效果更加明显，并且对下层温度影响较小但风量调整比例不应超过20%。

2种改进措施对中庭顶层室内工况改善有较为明显的效果，使得顶层平均温度下降并且温度分布均匀，消除了高温区域，更符合人体的舒适性要求。